鄧玉彪

（上海合然環(huán)?？萍加邢薰?，上海 200082）

近年來礦山污染問題越來越引發(fā)關(guān)注，尾礦庫對(duì)地下水環(huán)境的污染不易察覺，且不良后果難以根除。因此，研究尾礦庫對(duì)周邊地下水污染的影響具有重要意義。地下水模擬軟件GMS常被用來進(jìn)行地下水?dāng)?shù)值模擬建模[1-3]。本研究運(yùn)用GMS軟件，針對(duì)研究區(qū)金礦尾礦庫持續(xù)滲漏對(duì)周邊地下水環(huán)境的影響，尤其是對(duì)下游地下水型集中式飲用水水源地可能造成的影響進(jìn)行模擬分析[4-6]，提出相應(yīng)的防控措施。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理及水文地質(zhì)條件

金礦尾礦庫于2015年建成使用。研究區(qū)以剝蝕地貌為主，多年平均降雨量924.9 mm，年均蒸發(fā)量2 100 mm。尾礦庫下游約1 720 m處有一地下水型集中式飲用水水源地，保護(hù)區(qū)以取水井為中心，半徑為100 m。尾礦庫位于研究區(qū)東南側(cè)溝谷上游，溝谷貫穿研究區(qū)，出露地層為全新世松散沉積物；溝谷兩側(cè)山坡出露地層主要為中元古代片麻巖。溝谷地下水為第四系松散巖類孔隙潛水，水位埋深小于6.0 m，含水層厚度為5～15 m；兩側(cè)山坡地下水為變質(zhì)巖類裂隙水，水位埋藏深度小于15 m，水流量較小，不具備承壓性，水位標(biāo)高與地形起伏基本吻合，形成淺部風(fēng)化裂隙中弱含水帶。除側(cè)向徑流補(bǔ)給和側(cè)向排泄外，地下水補(bǔ)給和排泄方式主要表現(xiàn)為大氣降水補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄，區(qū)內(nèi)未見泉眼。研究區(qū)地下水流向主要為兩側(cè)山坡向中間溝谷流，溝谷內(nèi)地下水自東南流向西北。

研究區(qū)水文地質(zhì)如圖1所示。

圖1 研究區(qū)水文地質(zhì)

1.2 地下水污染現(xiàn)狀

尾礦庫主要堆存氰化法煉金工藝產(chǎn)生的廢棄尾渣，含有大量氰化物和金屬砷、鎘[7]。目前，尾礦庫廢水中砷濃度達(dá)14.8 mg/L，下游部分區(qū)域地下水中砷濃度明顯高于區(qū)域背景值（0.003 mg/L）。溝谷內(nèi)地下水砷濃度趨近尾礦庫，呈現(xiàn)顯著遞增趨勢(shì)，超出地下水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（As>0.01 mg/L）的范圍已擴(kuò)散至距離尾礦壩西北方向1 206 m處。

2 模型建立

2.1 水文地質(zhì)概念模型

研究區(qū)地下水主要為溝谷區(qū)域第四系松散巖類孔隙潛水以及兩側(cè)山坡區(qū)域的淺部風(fēng)化裂隙潛水，下伏基巖裂隙發(fā)育程度及透水性極差，兩種地下水可以概化為單層含水層結(jié)構(gòu)。

模擬區(qū)東南邊界的尾礦壩和西北邊界的溝谷下游出口地下水位穩(wěn)定，為定水頭邊界，水頭高度由地下水位確定。其余邊界為山脊分水線，設(shè)為零流量邊界。模型上部為潛水界面，以接受大氣降水補(bǔ)給和蒸發(fā)排泄為主。模型下部根據(jù)鉆孔揭示結(jié)果，約20 m深度處水量交換變得極少，可以概化為隔水底板。模擬區(qū)總面積4.28 km2。

水文地質(zhì)概念模型及參數(shù)分區(qū)如圖2所示。

圖2 水文地質(zhì)概念模型及參數(shù)分區(qū)

2.2 數(shù)學(xué)模型

按照水文地質(zhì)概念模型，建立研究區(qū)各向異性三維穩(wěn)定地下水流數(shù)學(xué)模型[8]；不考慮含水層中污染物的揮發(fā)、交換、吸附和生物化學(xué)反應(yīng)，建立溶質(zhì)運(yùn)移數(shù)學(xué)模型[9]。數(shù)學(xué)模型包括控制方程、初始條件和邊界條件，組成定解問題，應(yīng)用三維有限差分法，聯(lián)合運(yùn)行GMS的MODFLOW與MT3DS兩大模塊進(jìn)行求解，得到特征污染物在設(shè)定情景下不同時(shí)間、不同方向的模擬擴(kuò)散范圍。

2.3 數(shù)值模型

（1）網(wǎng)格剖分。

建立地下水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)模擬區(qū)進(jìn)行空間離散。平面剖分為10 m×10 m的單元格，模擬區(qū)共剖分為有效網(wǎng)格91 453個(gè)。

模擬區(qū)網(wǎng)格剖分如圖3所示。

圖3 模擬區(qū)網(wǎng)格剖分

（2）模型參數(shù)確定。

①水文地質(zhì)參數(shù)。結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)資料及研究區(qū)微水試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置模擬區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)。

模擬的地下水流場與實(shí)際的地下水流場比較如圖4所示。

圖4 模擬的地下水流場與實(shí)際的地下水流場比較

水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表1 水文地質(zhì)相關(guān)參數(shù)匯總

②源匯項(xiàng)處理。

大氣降水入滲補(bǔ)給與蒸發(fā)排泄。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，研究區(qū)年均降雨量924.9 mm，降水入滲系數(shù)選區(qū)域平均值0.2，模擬區(qū)總面積4.28 km2，則模擬區(qū)大氣降水入滲量為79.17 m3/a。根據(jù)鉆孔揭示結(jié)果，模擬區(qū)潛水埋深為3.5～15.0 m，潛水蒸發(fā)量較少，與大氣降水入滲量相比，可忽略不計(jì)。因此，將大氣降水入滲補(bǔ)給量簡單概化為模型上部有效凈補(bǔ)給量。

側(cè)向補(bǔ)給與側(cè)向排泄。模擬區(qū)東南邊界尾礦壩段定義為定水頭邊界，按實(shí)測水位賦予水頭值，由模型內(nèi)置程序自動(dòng)計(jì)算側(cè)向補(bǔ)給量。模擬區(qū)西北邊界溝谷下游出口段定義為定水頭邊界，按實(shí)測水位賦予水頭值，由模型中的內(nèi)置程序自動(dòng)計(jì)算側(cè)向排泄量。

（3）源強(qiáng)設(shè)置。

根據(jù)尾礦庫廢水及下游地下水樣品檢測結(jié)果，選取特征污染物砷為預(yù)測因子。尾礦壩處處于持續(xù)滲漏狀態(tài)，選擇模擬區(qū)東南側(cè)尾礦壩作為源強(qiáng)，模型中設(shè)為定濃度邊界，砷濃度取值14.8 mg/L。

（4）模型驗(yàn)證。

建立模型，對(duì)滲流場進(jìn)行擬合，并校正各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)。比較模擬區(qū)內(nèi)6口地下水觀測井的水位實(shí)測值和模型計(jì)算值，差值范圍在模型允許誤差內(nèi)。模擬的地下水滲流場與實(shí)測水位繪制的實(shí)際地下水滲流場較吻合，表明模型基本能夠客觀反映模擬區(qū)實(shí)際的地下水流系統(tǒng)。將尾礦庫運(yùn)行6年后的地下水砷濃度模擬結(jié)果與現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果進(jìn)行擬合，地下水中砷的模擬濃度與實(shí)測濃度相差不大。因此，模型可以用來進(jìn)行模擬區(qū)地下水污染物運(yùn)移規(guī)律的模擬分析。

地下水位的模擬值與實(shí)測值如圖5所示。地下水中砷濃度的模擬值與實(shí)測值如圖6所示。

圖5 地下水位的模擬值與實(shí)測值

圖6 地下水中砷濃度的模擬值與實(shí)測值

3 模擬結(jié)果與分析

根據(jù)模擬結(jié)果分析，金礦尾礦庫淋溶廢水持續(xù)滲漏可能對(duì)周邊地下水環(huán)境造成影響，對(duì)集中式飲用水源地保護(hù)區(qū)的影響進(jìn)行分析。

現(xiàn)狀條件下（尾礦庫持續(xù)滲漏6年），地下水砷濃度大于區(qū)域背景值（0.003 mg/L）的污染暈范圍約289 882 m2，地下水砷濃度大于《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中Ⅲ類限值（0.01 mg/L）的超標(biāo)范圍約為265 528 m2。尾礦庫持續(xù)滲漏對(duì)下游1 267 m范圍內(nèi)的地下水環(huán)境造成一定影響，砷超標(biāo)范圍最遠(yuǎn)擴(kuò)散至下游1 206 m，未對(duì)飲用水水源地保護(hù)區(qū)造成影響。

尾礦庫在現(xiàn)狀條件下持續(xù)滲漏，將導(dǎo)致下游溝谷內(nèi)地下水中砷污染暈范圍和砷超標(biāo)范圍不斷擴(kuò)大、逐漸趨于穩(wěn)定，砷污染暈范圍在未來10年內(nèi)最終穩(wěn)定為473 570 m2，砷超標(biāo)范圍在未來15年內(nèi)最終穩(wěn)定為473 345 m2。尾礦庫持續(xù)滲漏在未來5年內(nèi)對(duì)飲用水水源地保護(hù)區(qū)地下水環(huán)境產(chǎn)生污染影響，地下水砷濃度可以達(dá)0.021 mg/L，超出Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，上游尾礦庫的持續(xù)滲漏嚴(yán)重威脅飲用水水源地保護(hù)區(qū)的地下水水質(zhì)安全；水源地保護(hù)區(qū)地下水砷濃度將繼續(xù)升高，在20年時(shí)達(dá)到7.460 mg/L。

4 結(jié)語

研究區(qū)尾礦庫持續(xù)滲漏對(duì)下游地下水環(huán)境造成的污染正不斷擴(kuò)散，如不及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，未來5年內(nèi)將危及下游集中式飲用水水源地的供水安全。建議對(duì)尾礦庫的底部和尾礦壩重新進(jìn)行防滲處理，防止廢水繼續(xù)滲漏。針對(duì)溝谷中繼續(xù)向下游擴(kuò)散的地下水污染物，建議采取有效的風(fēng)險(xiǎn)管控或修復(fù)措施，并在下游布設(shè)地下水水質(zhì)監(jiān)測井，增加監(jiān)測頻率，以便實(shí)時(shí)掌控地下水污染物遷移動(dòng)態(tài)。此外，還需制定居民應(yīng)急供水預(yù)案，尾礦庫持續(xù)滲漏危及水源地保護(hù)區(qū)時(shí)，及時(shí)采取相關(guān)措施保障居民供水安全。